晶体学第一章晶胞与点阵

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材料科学基础-第1章

材料科学基础-第1章

晶面指数及晶面间距
现在广泛使用的用来表示晶面指数的密勒指数是由 英国晶体学家ler于1939年提出的。
z
确定晶面指数的具体步骤如下: 1.以各晶轴点阵常数为度量单位,求 出晶面与三晶轴的截距m,n,p; 2.取上述截距的倒数1/m,1/n,1/p; 3. 将以上三数值简为比值相同的三 个最小简单整数,即 1 1 1 h k l (553) : : : : h:k :l x m n p e e e 其中e为m,n,p三数的最小公倍数,h,k,l为简单整数; 4.将所得指数括以圆括号, (hkl)即为密勒指数。
13 体心立方点阵
a=b=c,α=β=γ =90°
14 面心立方点阵
a=b=c,α=β=γ =90°
§ 1.5 晶体结构的对称性
一、对称:对称是指物体相同部分作有规律的 重复。对称操作所依据的几何元素,亦即在对 称操作中保持不动的点、线、面等几何元素称 为对称元素。 二、对称性
1.晶体的宏观对称性 2. 晶体的32种点群 3. 晶体的微观对称性 4.230种空间群
晶体结构=空间点阵+基元
注意:上式并不是一个数学关系式,而只是用来表示这三者之间的 关系。
二、晶体的点阵理论
1 、点阵(Lattice):
将晶体中重复出现的最小单元作为结构基元,用一个数 学上的点来代表 , 称为点阵点,整个晶体就被抽象成一组 点,称为点阵。 1 点阵点必须无穷多; 点阵必须具备的三个条件 2 每个点阵点必须处于相同的环境; 3 点阵在平移方向的周期必须相同。
c
b
a
空间点阵及晶胞的不同取法
选取晶胞的原则: 1.要能充分反映整个空间点阵的周期性和对称性; 2.在满足1的基础上,单胞要具有尽可能多的直角; 3.在满足上条件,晶胞应具有最小的体积。

材料化学 (第一章 晶体的特性与点阵结构)

材料化学 (第一章 晶体的特性与点阵结构)

m, n, p = 0, ±1, ±2, ...
3.点阵及其基本性质
(1). 点阵: 连结任意两点所得向量进行平移后能够复原 的一组点称为点阵.
X X
不是点阵
不是点阵
点阵
(2). 点阵的二个必要条件: (a)点数无限多 (b)各点所处环境完全相同
(3). 点阵与平移群的关系:
(a)连结任意两点阵点所得向量必属于平移群. (b)属于平移群的任一向量的一端落在任一点阵点时, 其另一端必落在此 点阵中另一点阵点上.
第一章 晶体的特性与点阵结构
第一部分 晶体学基础
一 晶体学发展的历史
二 晶体的特性
三 晶体结构 (一)晶体结构的周期性 (二)点阵结构与点阵 (三)晶体结构参数
第二部分 晶体中的对称
一 晶体的宏观对称性 二 晶体的微观对称性
第一部分 晶体学基础
一、晶体学发展的历史
西汉,《韩诗外传》“凡草木花多五出,雪花独六出”
六方素格子、正方素格子、矩形素格子、矩形带心格子和平行四边形格子。
空间点阵的七种类型、十四种型式
(1) 七种类型 — 7种对称类型对应7个晶系


一维平移群表示为:Tm ma
m = 0, ±1, ±2, ……
2.二维点阵结构与平面点阵 1)实例 (a) NaCl晶体中平行于某一晶面的一层离子 结构:
结构基元: 点阵:
(b)石墨晶体中一层C原子
结构: x
结构基元: 点阵:
2)平面格子 连结平面点阵中各点阵点所得平面网格.
2)平面格子 连结平面点阵中各点阵点所得平面网格.
4.晶胞参数与原子坐标参数
(1).晶胞(Unit cell)
空间格子将晶体结构截成的一个个大小、形状相等,包含等同 内容的基本单位。

材料科学基础 第1章 晶体学基础

材料科学基础 第1章 晶体学基础
人类使用的材料中大多为晶态(Crystalline),包括单晶、 多晶、微晶和液晶等。那么什么是晶体? 晶体有何特点?
金刚石
Nacl
水晶
CaF2
MoS2
闪锌矿
高分辨率电镜-High Resolution Electron Microscopy (HREM)
The surface of a gold specimen, was taken with a atomic force microscope (AFM). Individual atoms for this (111) crystallographic surface plane are resolved.
底心正方和简单 正方点阵的关系
例:结构对性能的影响-Sn 1850 in Russia. The winter that year was particularly cold, and record low temperatures persisted for extended periods of time. The uniforms of some Russian soldiers had tin buttons, many of which crumbled due to these extreme cold conditions, as did also many of the tin church organ pipes. This problem came to be known as the “tin disease.”
组平行的晶面应当包含点阵所有的阵点。 ● 2、晶向(lattice or crystal directions) 通过两阵点之间的直线。 ● 3、定量表示晶面和晶向的意义 各向异性,结构分析(需要表征晶体结构内部的不同

第一章 晶体学(题解)

第一章 晶体学(题解)

立方体有 4 个 3 次轴,它们是 4 个体对角线,即过立方体中心的 3 个<111>方向;有 3 个 4 次轴,它们是立方体三对平行面的中点连线,即过立方体中心的 3 个<100>方向;有 6 个 2 次轴,它们是过立方体中心的 6 个<110>方向;有 9 个镜面,即过立方体中心的 3 个 {100}面和过立方体中心的 6 个{110}面;有一个对称中心,它就是立方体的中心。 立方体顶面和底面中心与过立方体中心并平行于顶面(和底面)的四边形四个顶点连接起 来就是一个八面体,所以八面体的对称性质与立方体的相同。它有 4 个 3 次轴,3 个 4 次 轴,见上图右 2 图;有 6 个 2 次轴,见上图的右 3 图;有 9 个镜面,上面最右边的图只画 出了四个镜面,它们是过 E、F 点与 ABCD 四边形的两条中线连成的两个面以及 EAFC 面 和 EBFC 面,按同样方法以 A、C 顶点和 B、D 顶点也可各得四个镜面,但是其中有三个 是重复的,所以共有 9 个镜面;八面体中心是对称中心。 下右图是六面柱体和四面体的对称元素的示意图。六面柱体有 1 个 6 次轴,它是过六面柱 体中心并垂直顶面和底面的轴;有 6 个 2 次轴,它们是过六面柱体中心的六边形的三个对 角线和这个六边形对边中点连线;有 7 个镜面,它们是是过六面柱体中心的六边形面、六
7. 画出适当的图形证明:在平行的 2 次轴通过的两个相邻阵点之间的中点上有另一个 2 次 轴;在平行的镜面通过的两个相邻阵点之间的中点上有另一个镜面。 解:右图 a 是在平行的 2 次轴通过 的两个相邻阵点之间的中点上有 另一个 2 次轴的例子。图中只画出 这个平面点阵的一个单胞,在讨论 时应记住整个点阵是由这个单胞 无限重复平移得出的。可以看出, 在原来的阵点上有 2 次轴,显然, 阵点间的中点也是 2 次轴,如图 a 左边的图所示。右图 b 是在平行的 镜面通过的两个相邻阵点之间的 中点上有另一个镜面的例子。同 样,图中只画出这个平面点阵的一个单胞。图中通过阵点的线是镜面(图中的黑线),可以 看出,在这些镜面的中点上,仍有平行于原来镜面的镜面存在,图 b 左图的虚线。

材料科学基础I 第一章(晶体学基础)

材料科学基础I  第一章(晶体学基础)
立方正方斜方cba???90??????cba??????90???cba??????90???菱方六方单斜三斜cba??????90???cba?????90????120?cba?????????90cba??????90???7大晶系包含14种空间点阵布拉布拉菲abravais点阵3
第一章 晶体学基础
1、晶面指数 、
方法和步骤与三指数时相同, 方法和步骤与三指数时相同, 只是要找出晶面 在四个坐标 轴上的截距。 轴上的截距。 例如: 例如: a3 o a1 a2
(1010) (0110) (1100)
(1010)
2、晶向指数: 、晶向指数:
四坐标晶向指数的确定方法有行走法和解析法。 四坐标晶向指数的确定方法有行走法和解析法。由于行走法 确定的晶向指数不是唯一的,所以这里仅介绍解析法 解析法。 确定的晶向指数不是唯一的,所以这里仅介绍解析法。 步骤: 步骤: 1)求出待定晶向在 1,a2,c三个坐标轴下的指数:U, V, W 求出待定晶向在a 三个坐标轴下的指数: 求出待定晶向在 三个坐标轴下的指数 2)按以下公式算出在四坐标轴下的指数:u, v, t, w 按以下公式算出在四坐标轴下的指数: 按以下公式算出在四坐标轴下的指数
多数金属和非金属材料都是晶体。因此, 多数金属和非金属材料都是晶体。因此,首先 要掌握晶体的特征及其描述方法。 要掌握晶体的特征及其描述方法。 晶体——组成晶体的质点在三维空间作周期性地、 组成晶体的质点在三维空间作周期性地、 晶体 组成晶体的质点在三维空间作周期性地 规则地排列。 规则地排列。 晶体的特点: 晶体的特点: 质点排列具有规则性、 质点排列具有规则性、周期性 有固定熔点(结晶温度) 非晶体没有固定的熔点 非晶体没有固定的熔点] 有固定熔点(结晶温度)[非晶体没有固定的熔点 各向异性(包含多种性能) 各向异性(包含多种性能)

潘金生材料科学基础(修订版)知识点笔记课后答案

潘金生材料科学基础(修订版)知识点笔记课后答案

第1章晶体学基础1.1复习笔记一、空间点阵1.晶体特征和空间点阵概述(1)晶体特征晶体的一个基本特征是具有周期性。

(2)空间点阵空间点阵是指用来描述晶体中原子或原子集团排列的周期性规律的在空间有规律分布的几何点的集合。

2.晶胞、晶系和点阵类型(1)晶胞①晶胞的定义空间点阵可以看成是由最小的单元——平行六面体沿三维方向重复堆积(或平移)而成。

这样的平行六面体称为晶胞。

②点阵常数a.描述晶胞的大小:三条棱的长度a,b和c;b.描述晶胞的形状:棱之间的夹角α,β和γ。

③选取晶胞的条件a.能反映点阵的周期性;b.能反映点阵的对称性;c.晶胞的体积最小。

(2)晶系按照晶胞的大小和形状的特点,或按照6个点阵常数之间的关系和特点,可以将各种晶体归为7种晶系。

表1-1 7种晶系(3)点阵类型①简单三斜点阵(如图1-1(1)所示);②简单单斜点阵(如图1-1(2)所示);③底心单斜点阵(如图1-1(3)所示);④简单斜方点阵(如图1-1(4)所示);⑤底心斜方点阵(如图1-1(5)所示);⑥体心斜方点阵(如图1-1(6)所示);⑦面心斜方点阵(如图1-1(7)所示);⑧六方点阵(如图1-1(8)所示);⑨菱方点阵(三角点阵)(如图1-1(9)所示);⑩简单正方(或四方)点阵(如图1-1(10)所示);⑪体心正方(或四方)点阵(如图1-1(11)所示);⑫简单立方点阵(如图1-1(12)所示);⑬体心立方点阵(如图1-1(13)所示);⑭面心立方点阵(如图1-1(14)所示)。

图1-1 14种空间点阵(4)布拉维点阵与复式点阵①布拉维点阵:由等同点构成的点阵;②复式点阵:由几个布拉维点阵穿插而成的复杂点阵。

二、晶面指数和晶向指数1.晶面指数和晶向指数(1)晶面指数将截距的倒数化成三个互质的整数h,k,l,则(hkl)称为待标晶面的晶面指数。

(2)晶向指数将晶向上除原点以外的任一点的坐标x,y,z化成互质整数u,v,w,得到晶向指数[uvw]。

第一章晶体学基础

第一章晶体学基础
2. 非晶体 非晶体在整体上是无序的 ;近程有序 。实际为一种过 冷液体。具有各向同性。
隋性气体无规则排列
表示有些材料包括水蒸气和玻璃的短程有序
表示有些材料包括水蒸气和玻璃的短程有序 金属及其他许多材料的长程有序排列
图 材料中原子的排列
二氧化硅结构示意图
a)晶态
b)非晶态
3. 晶体的特征
(1)周期性(不论沿晶体的哪个方向看去,总是相隔一定 的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离称为周期 ) 液体和气体都是非晶体。 (2)有固定的凝固点和熔点. (3)各向异性(沿着晶体的不同方向所测得的性能通常是 不同的 :晶体的导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、 光学性质 )。
(a)
Z
βα
Xb
(b) 简单立方晶体 (a) 晶体结构 (b) 晶格 (c) 晶胞
γ (c)
c aY
2.晶胞的选取原则:
(1)晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性; (2)平行六面体内相等的棱和角的数目最多; (3)当棱间呈直角时,直角数目应最多; (4)满足上述条件,晶胞体积应最小。
图 晶胞的选取
立方晶系 ( Cubic)
Simple
Body centered
Face centered
a
a
a
a a
a a
a a
a = b = c, a = b = = 90
正方晶系 ( Tetragonal )
Simple
Body centered
c
c
a a
a a
a = b c, a = b = = 90
1.2 晶体学基础 Fundamentals of crystallogphy

(完整版)第1章 晶体学基础

(完整版)第1章 晶体学基础

第一篇 X射线衍射分析(15万字)1 晶体学基础1.1 晶体结构的周期性与点阵晶体是由原子、离子、分子或集团等物质点在三维空间内周期性规则排列构成的固体物质,这种周期性是三维空间的。

晶体中按周期重复的原子、分子或离子团称为结构基元,也就是重复单元。

为了描述晶体内部原子排列的周期性,总是把一个结构基元抽象地看成为一个几何点,而不考虑它的实际内容(指原子、离子或分子)。

这些几何点按结构周期排列,这种几何点的集合就称为点阵,将点阵中的每个点叫阵点。

要构成点阵,必须具备三个条件:(1)点阵点数无限多;(2)各点阵点所处的几何环境完全相同;(3)点阵在平移方向的周期必须相同。

凡是能够抽取出点阵的结构可称为点阵结构或晶体点阵。

点阵中每一阵点对应于点阵结构中的一个结构基元,在晶体中则是一些组成晶体的实物粒子,即原子、分子或离子等,或是这些微粒的集团。

这样,晶体结构与晶体点阵是两个不同的概念,其关系如图1-1所示,晶体结构可以表示为:晶体结构= 晶体点阵+ 结构基元图1-1晶体结构与点阵的关系根据点阵的性质,把分布在同一直线上的点阵称为直线点阵或一维点阵,分布在同一平面内的点阵称为平面点阵或二维点阵,分布在三维空间中的点阵称为空间点阵或三维点阵。

1.1.1 一维周期性结构与直线点阵图1-2(a)是聚乙烯分子链的结构示意图,具有一维周期结构,其结构基元(CH2CH2)周期性地排列在一个方向上。

每一个结构基元的等同位置抽象成一个几何点,可形成一条直线点阵,是等距离分布在一条直线上的无限点列,如图1-2(b)所示。

取任一阵点作为原点O ,A 为相邻的阵点,则矢量a=OA 表示重复的大小和方向,称为初基(单位)矢量或基矢,若以单位矢量a 进行平移,必指向另一阵点,而矢量的长度a a =ρ称为点阵参数。

图1-2晶体结构与点阵的关系(a )聚乙烯分子链的结构示意图;(b )等效的一维直线点阵直线点阵中任何两阵点的平移矢量称为矢径,可表示为T p = p a (0, ±1, ±2……)矢径T p 完整而概括地描述了一维结构基元排列的周期性。

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原胞体积
V
a1
(a2
a3)
a3
—— 原胞中只包含一个原子
2) 面心立方晶格
立方体的顶点到三个近邻的面心引三个基矢
基矢
a1
a 2
(
j
k)
a a2 2 (k i )
a3
a 2
(i
j)
原胞体积
V a1 (a2 a3)
1 a3 4
—— 原胞中只包含一个原子
3) 体心立方晶格
钛酸钡原胞可以取 作简单立方体 包含: 3个不等价的O原子 1个Ba原子 1个Ti原子 —— 共五个原子
六角密排晶格的原胞基矢选取
—— 一个原胞中包含A层 和B层原子各一个
—— 共两个原子
二、晶格周期性的描述 —— 布拉菲点阵,点阵平移矢量
1. 点阵(lattice),也叫空间点阵(space lattice)
以点(阵点或结点)代替晶体的基元(晶体的最小组成 单元,由原子、离子或分子构成),得到的描述晶体中质 点排列周期性的数学图形。
阵点(lattice point)—— 环境和性质完全相同; 基元(basis)—— 晶体的最小组成单元。
点阵 + 基元
晶体结构
简单晶格 —— 基元为单原子 复式晶格 —— 基元由多个原子、离子或分子组成
Rl ra l1a1 l2a2 l3a3, 1, 2, 3
原胞中各种等价原子之间的相对位移 例如: 金刚石晶格 —— 碳1位置 —— 碳2位置
对角线位移
B
可以用1,l2,l3的取值可以囊括所有的阵点

确定的晶体空间点阵 —— 布拉菲点阵
(布拉菲格子)
2)面网
晶面
, —— 基本平移矢量(基矢),l1, l2 取整数
3)空间点阵
三维晶格
, , —— 基本平移矢量(基矢) l1, l2, l3 ——— 整数
2. 晶格周期性的描述 —— 布拉菲点阵,点阵平移矢量
简单晶格,任一原子A的位矢 Rl l1a1 l2a2 l3a3
复式晶格:任一原子A的位矢
由立方体的中心到三个顶点引三个基矢
基矢
a1
a 2
(i
j
k)
a2
a 2
(i
j
k)
a a3 2 (i j k )
原胞体积
V
a1 (a2
a3)
1 a3 2
—— 原胞中只包含一个原子
3. 复式晶格 —— 复式格子包含两种或两种以上的等价原子 1) 不同原子或离子构成的晶体 NaCl 、 CsCl 、ZnS等
晶胞的边在晶轴方向,边长等于该方向上的一个周期 —— 代表单胞三个边的矢量称为单胞的基矢
晶胞基矢
a,b,c
一些情况下,晶胞就是原胞 一些情况下,晶胞不是原胞
简单立方晶格 — 晶胞是原胞 面心立方晶格 — 晶胞不是原胞
例:面心立方晶格的原胞与晶胞
原胞基矢
a1, a2 , a3
——起点相交的三条立方体
面对角线的一半
原胞的体积
V
a1
(a2
a3 )
1 4
a3
单胞基矢
a ai , b aj, c ak
单胞的体积
V a
(b
c
)
a
3
2. 简单晶格 —— 由完全等价的一种原子构成的晶格 1) 简单立方晶格 —— 原胞为简单立方晶格的立方单元
基矢
a1 ai , a2 aj, a3 ak
简单晶格 —— 基元是一个原子 复式晶格 —— 基元是一个以上原子
一维图案
晶体空间点阵
A-NaCl中沿y轴Na+和Cl排列的情况
B-Na+的直线排列 C-抽象为直线点阵
二维图案
晶体空间点阵
(a) —— NaCl中xy平面Na+和Cl-排列的情况 (b) —— Na+或Cl-的平面排列 下图 —— 抽象为平面点阵
ZnS的复式晶格
立方系的ZnS —— S和Zn分别组成面心立方结构的子晶格沿 空间对角线位移 1/4 的长度套构而成
钛酸钡(BaTiO3)的复式晶格
BaTiO3的晶格 —— 由 Ba、 Ti和 OI、 OII、 OIII各 自组成的简立方结 构子晶格(共5个) 套构而成
4)复式格子的原胞
—— 相应简单晶格(子晶格)的原胞,一个原胞中包含 各种等价原子各一个
2) 相同原子但几何位置不等价的原子构成的晶体
金刚石结构的C、Si、Ge
六角密排结构Be、Mg、Zn
3) 复式格子的特点:不同等价原子各自构成相同的简单晶格 (子晶格),复式格子由它们的子晶格相套而成
NaCl晶格 —— Na+和Cl-各有一个相同的面心立方晶格
CsCl的复式晶格
—— CsCl结构是由两个简立方的子晶格彼此沿立方体空间 对角线位移1/2 的长度套构而成
1.3 晶体的原胞与点阵
一、 晶格周期性的描述 —— 原胞和基矢
晶格共同特点 —— 周期性,可以用原胞和基矢来描述
1. 原胞 与晶胞(单胞) 原胞 —— 一个晶格的最小重复单元 基矢 —— 原胞的边矢量
—— 三维晶格的重复单 元是平行六面体
——
重复单元的边矢量
a1, a2, a3
晶胞(单胞) —— 为了反映晶格的对称性(结构特征),常 取最小重复单元的几倍作为重复单元。
三维图案
晶体空间点阵
左 —— NaCl中Na+和Cl-排列的情况 右 —— 一般形式的空间点阵
结点(阵点): 空间点阵中的每一个阵点,代表具体晶 体结构中的基元。
行列: 阵点在一个方向上的等距离排列。(结点间距 )
面网: 阵点在平面上的分布。
1) 行列
晶列
—— 基本平移矢量(基矢),l 取整数
1848年,布拉菲推 导出来,共14种。
—— 点阵平移矢量
3. 空间点阵的基本规律
➢ 相互平行的行列:结点间距相等 ➢ 相互平行的面网:面网密度(单位面积内的节点数)相等
面网间距(相邻面网的垂直距离)相等 ➢ 三维点阵:以平行六面体为周期(与晶胞一致)
点阵参数:a,b,c,,b,g
b
c
a b
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